ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ

«ШКОЛА № 000»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«Не сеют, не сажают,
А сами вырастают»

Кристина Александровна Маринина,

ученица 10 а медицинского класса.

Научный руководитель:

учитель физики

Александр Николаевич Долгушин

Москва, 2018

Содержание

Введение        3

1.        Биология и химия человеческого волоса        5

2.        Удивительные факты «ТОП 10»        7

3.        Исследовательская часть        9

3.1.        Определение толщины человеческого волоса        9

3.2.        Исследование механической прочности человеческого волоса        16

4.        Выводы        18

5.        Список литературы (источников)        20

6.        Приложение        21

Введение


Темой исследовательской работы является загадка о человеческих волосах. С самого момента рождения человека они присутствуют на кожных покровах. И мы решили исследовать некоторые свойства человеческого волоса, установить факторы, которые влияют на изменение этих свойств, а если получится, развеять некоторые мифы о нем.

Актуальность исследовательской работы заключается в интеграции предметов естественнонаучного направления при изучении свойств человеческого волоса.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Объектом исследования является человеческий волос. Для изучения некоторых свойств нам потребовались образцы человеческих волос одноклассников.

Предметом исследования являются биологические, химические, физические свойства человеческого волоса.

В ходе исследовательской работы, при изучении свойств человеческого волоса, мы выдвигаем следующие гипотезы:

    укрепляющий шампунь увеличивает толщину человеческого волоса; химическое воздействие на человеческий волос уменьшает его прочность.

Целью исследовательской работы является изучение свойств человеческого волоса с позиций интеграции биологии, химии и физики.

Для достижения цели мы ставим перед собой следующие задачи:

Изучить биологические и химические характеристики человеческого волоса (Удивительные факты «ТОП 10»). Применить исследовательский метод для определения физических характеристик человеческого волоса: Определение толщины человечного волоса на основе применения явления дифракции света на тонкой нити и сравнение полученного результата с методом рядов. Изучение влияния укрепляющего шампуня на толщину человеческого волоса. Определение прочности человеческого волоса и исследование влияния химических воздействий на его прочность с применением школьного динамометра на основе явления разрыва от внешнего силового воздействия. Установление факторов, влияющих на механическую и массовую прочность человеческого волоса.

Для решения поставленных задач мы будем использовать следующие методы:

    методы эмпирического уровня: наблюдение, измерение, сравнение; методы экспериментально-теоретического уровня: эксперимент, лабораторный опыт, анализ; методы теоретического уровня: изучение и обобщение.


Биология и химия человеческого волоса1

Площадь кожи взрослого человека составляет около 2 м2. Прочная и упругая, она предохраняет лежащие под ней ткани от механических повреждений. Пока не нарушена её целостность, кожа практически непроницаема для микроорганизмов и защищает тело от других вторжений, являясь своеобразными "доспехами" организма.

Несмотря на то, что наша кожа производит впечатление голой, почти вся она покрыта волосами - производными кожи (к которым относятся и ногти). Свободны от волос только ладони и подошвы ног. Волосы – продукт клеток эпидермиса, вросших в дерму и образовавших там мешочки – во­ло­ся­ные­ лу­ко­ви­цы, на дне которых расположены непрерывно делящиеся клетки (см. рис.21). Питательные вещества эти клетки получают из капилляров соединительнотканного волосяного сосочка, расположенного под каждой луковицей. Точно так же, как при обновлении эпидермиса, новообразованные клетки всё время выталкиваются наверх всё дальше от источника питания и в конце концов формируют стержень из белка кератина – волос.

рис. 1

Волосяная луковица окружена соединительной тканью, к которой одним концом прикрепляется пучок гладких мышечных волокон. Отсюда мышечный пучок идёт к поверхностному слою дермы, располагаясь не параллельно волосу, а немного наискосок, и сплетается с эластическими волокнами этого слоя. При сокращении мышечного пучка волос принимает вертикальное положение. Сокращение мышц, поднимающих волос, происходит рефлекторно в ответ на механическое раздражение, охлаждение кожи или под влиянием страха, гнева и других эмоциональных переживаний. «Волосы встали дыбом», – говорят в таких случаях.

Химический состав3 человеческого волоса представлен процентным содержанием белка кератина до  79 %, воды - 15%, липидов - 6%. Исходя из того, что волос в основном состоит из кератина, а, как известно, кератин является белком, состоит из аминокислот, обогащен микроэлементами и витаминами, его соединением являются цепочки из поперечных мостиков аминокислотных осадков. Благодаря им волос становится плотным, эластичным и упругим. Помимо всего перечисленного, локоны волос содержат от 4 % жирных веществ, таких как холестерин. Меланин содержится в каждом организме в разных соотношениях и отвечает за пигментацию. Окрас волос зависит от химического состава. Чем темнее волос, тем больше в нем углерода и меньше кислорода, в светлых локонах все наоборот.


Удивительные факты «ТОП 10»

Для составления рейтинга «ТОП 10» о человеческом волосе, была проанализирована информация различных интернет ресурсов4. Из множества фактов выделили 10 наиболее интересных.

Факт 1. Ежедневно у человека меняется 30-40 волос.

Факт 2. У человека в среднем 100 000 волос. У светловолосых людей количество волос больше чем у рыжих или брюнетов.

Факт 3. Порядка 85% всех волос человека находятся в постоянной фазе роста

Факт 4. Человеческий волос в 500 раз толще стенок мыльного пузыря. По итогам исследовательской работы, определена толщина человеческого волоса. Наиболее точным оказался результат, полученный методом волновой оптики.

Факт 5. При поперечном сечении 0,002 мм2 волос может выдерживать груз массой до 100 г. В нашем исследовании по определению механической и массовой прочности человеческого волоса, обнаружен образец, выдерживающий груз массой до 200 г.

Факт 6. В сказке братьев Гримм «Рапунцель» принцесса спускала из окна башни волосы, по которым взбирался прекрасный принц.

Факт 7. В русских народных сказках волосы девушек приобретают особое сакральное значение. Длинные в основном русые волосы главной героини являются одним из главных атрибутов её красоты. Это находит своё отражение и в названиях сказок: «Варвара-краса, длинная коса».

Факт 8. Волосы у представителей негроидной расы в три раза толще, чем у европеоидов, особенно блондинов.

Факт 9. Волосы человека вырастают в среднем на 0,4 мм в день. Таким образом, за среднюю продолжительность жизни (72 года) длина человеческого волоса составит примерно 10,5 м.

Факт 10. Жизненный цикл одного волоса в среднем составляет 3-7 лет.



Исследовательская часть
Определение толщины человеческого волоса

При отсутствии микрометра (см. фото 1), оценку толщины человеческого волоса можно произвести с помощью масштабной линейки (см. рис. 2).

Фото 1

Рис. 2

Для этого при измерении диаметра человеческого волоса на круглый карандаш наматывают человеческий волос в один слой плотными рядами, виток к витку. Измерив расстояние, на котором намотаны витки, и сосчитав число их, делят величину расстояния в миллиметрах на число витков. Полученное от деления частное и будет диаметром человеческого волоса в миллиметрах. В нашем случае результаты измерений представлены в таблице:

Число витков в ряду

N

-

30

Длина ряда

L

мм

15

Толщина человеческого волоса

мм

0,5

Абсолютная погрешность (принимаем за половину цены деления линейки)

мм

0,5

Окончательный результат

Нижняя граница толщины человеческого волоса (НГ)

Верхняя граница толщины человеческого волоса (ВГ)

Интервал экспериментальных значений толщины человеческого волоса

Выводы:

Данный метод для определения толщины человеческого волоса не является точным. Удалось определить интервал экспериментальных значений толщины человеческого волоса. Для дальнейшего сравнения экспериментальных значений толщины человеческого волоса, эталонный интервал ограничиваем следующим интервалом .

Для более точного определения толщины человеческого волоса воспользуемся иным методом, основная идея которого заключается в том, что свет – это волна. Раздел физики, в котором свет рассматривается в виде волны, называется волновой или физической оптикой. Явления интерференции и дифракции света служат опытным подтверждением его волновой природы.

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при
распространении света в среде с резкими неоднородностями и связанных с
отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция приводит к
огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область
геометрической тени. Различают два вида дифракции: дифракцию Фраунгофера и дифракцию Френеля. Дифракцией Фраунгофера называют дифракцию в параллельных лучах, то есть когда источник света расположен далеко от препятствия. В противном случае говорят о дифракции в непараллельных лучах или дифракции Френеля. Практически для наблюдения дифракции Фраунгофера точечный источник помещают в фокусе собирающей линзы. Полученный при этом параллельный пучок света направляют на препятствие, дифракционную картину наблюдают в фокальной плоскости другой собирающей линзы, поставленной на пути дифрагированного света. Для изучения дифракции Фраунгофера в качестве источника света удобно использовать лазер. Лазерное излучение отличается малой расходимостью (параллельный пучок), высокой пространственной и временной когерентностью, высокой степенью монохроматичности и высокой интенсивностью. В этом случае отпадает необходимость в линзах. Лазерный параллельный пучок направляется на преграду, а дифрагированные в различных направлениях волны дают дифракционную картину, наблюдаемую на экране, расположенном на значительном расстоянии от препятствия.

Экспериментальная установка для определения толщины человеческого волоса на основе явления дифракции света представлена на рисунке 3:

Рис.3

Пучок света от лазерной указки падает на закрепленный человеческий волос. Выбор данного метода определения толщины человеческого волоса обусловлен в доступности оборудования. На экране наблюдается дифракционная картина - чередующиеся светлые и темные полосы (дифракционные максимумы и минимумы). Светлая полоса соответствует цвету длины волны лазерного излучения указки. В нашем случае длина волны лазерного излучения указки соответствует зеленому цвету и ее числовое значение определяется по паспорту: λ=532 нм. В опыте измеряется расстояние a  между левым или правым максимумами k - го порядка относительно центральной полосы и расстояние L между диафрагмой с закрепленным человеческим волосом и экраном. В отношении дифракционных максимумов справедливо соотношение . Где: d – человеческого волоса, λ - длина световой волны лазерного излучения, k – дифракционный максимум. Т. к. место крепления образца человеческого волоса расположено далеко от экрана, то sinφ≈tgφ. Следовательно . Из геометрических соображений . После подстановки получаем . Тогда толщина человеческого волоса может быть рассчитана по формуле . Обработка экспериментальных измерений и вычислений по определению толщины человеческого волоса при помощи дифракции света, выполняется в Microsoft Excel. Оценка погрешности осуществляется методом среднего арифметического. Для проверки гипотезы о том, что укрепляющий шампунь увеличивает толщину человеческого волоса, эксперимент проводится дважды: 1) до использования шампуня; 2) после использования шампуня (приблизительно через месяц). Результаты измерений и вычислений оформляются в виде таблиц.



Определение толщины человеческого волоса при помощи дифракции света

(до использования укрепляющего шампуня: 12 декабря 2017 г.)

Длина волны лазерного излучения указки

λ

532

нм

Расстояние между диафрагмой с закрепленным человеческим волосом и экраном

L

1,525

м

Дифракционный максимум

Расстояние до максимума k - го порядка относительно центральной полосы

Толщина человеческого волоса

Абсолютная погрешность

k

a

d

Δd

-

мм

мм

мм

1

20

0,04057

0,02007

2

29

0,05595

0,00468

3

40

0,06085

0,00022

4

50

0,06490

0,00427

5

58

0,06994

0,00931

6

68

0,07159

0,01095

Среднее

0,06063

0,00825

Толщина человеческого волоса

Относительная погрешность

Нижняя граница толщины человеческого волоса

Верхняя граница толщины человеческого волоса

Интервал экспериментальных значений толщины человеческого волоса


Дополнительная серия опытов по определению толщины человеческого волоса при помощи дифракции света

(до использования укрепляющего шампуня: 12 декабря 2017 г.)

Длина волны лазерного излучения указки

λ

532

нм

Расстояние между диафрагмой с закрепленным человеческим волосом и экраном

L

1,525

м

Дифракционный максимум

Расстояние до максимума k - го порядка относительно центральной полосы

Толщина человеческого волоса

Абсолютная погрешность

k

a

d

Δd

-

мм

мм

мм

1

15

0,05409

0,00756

2

28

0,05795

0,00370

3

38

0,06405

0,00240

4

51

0,06363

0,00198

5

63

0,06439

0,00274

6

74

0,06578

0,00413

Среднее

0,06165

0,00375

Толщина человеческого волоса

Относительная погрешность

Нижняя граница толщины человеческого волоса

Верхняя граница толщины человеческого волоса

Интервал экспериментальных значений толщины человеческого волоса


Выводы:

Определена толщина человеческого волоса с помощью дифракции света. Сравнение интервалов экспериментальных значений толщины человеческого волоса по серии двух опытов до использования укрепляющего шампуня показывает достоверность полученных результатов:

Средняя относительная погрешность измерения толщины человеческого волоса по серии двух опытов до использования укрепляющего шампуня составила 10%. Обработка экспериментальных измерений и вычислений в Microsoft Excel позволила расширить интервал экспериментальных значений с учетом разрядности. В сравнении с эталонным результатом метод, основанный на дифракции света, оказался более точным. С учетом данных представленных на сайте5, по толщине волос в диаметре, наш результат относится к группе средних волос.

Толщина человеческого волоса

в диаметре

Тип волос

Меньше 0,04 мм

Тонкие

От 0,05 до 0,07 мм

Средние

От 0,08 мм и более

Утолщенные

Исследование механической прочности человеческого волоса

При исследовании механической прочности человеческого волоса представим экспериментальную модель, основная идея которой заключается в применении школьного динамометра для определения разрывной силы, возникающей в волосе при внешнем воздействии. Образец человеческого волоса складывается пополам, и образовавшаяся петля подсоединяется к крючку школьного динамометра (рис. 4).

Рис. 4

При внешнем силовом воздействии в волосе возникают упругие силы, равные по величине, но противоположные по направлению. Предельное внешнее силовое воздействие приводит к тому, что упругие силы не могут его уравновесить. Происходит разрыв. Результаты исследования механической прочности человеческого волоса можно представить следующим образом: 1) определение силовой механической прочности человеческого волоса выраженной в ньютонах, которая совпадает с показаниями школьного динамометра; 2) определение массовой прочности человеческого волоса выраженной в граммах через деление силовой механической прочности на ускорение свободного падения 9,81 м/с2. Для более точного определения силовой механической прочности человеческого волоса используется видеокамера сотового телефона и режим замедленного просмотра. Видеофрагмент исследования механической прочности человеческого волоса «Прочность человеческого волоса» смонтирован с помощью программы Windows Live Movie Maker, размещен на канале YouTube и доступен по ссылке6, расширенный видеофрагмент «Прочность человеческого волоса с выводами» доступен по ссылке7. Результаты исследования механической прочности человеческого волоса представлены в таблице:

№ опыта

Характеристики образца человеческого волоса

Силовая механическая прочность

Массовая прочность

Натуральный/

крашеный

Прямой/

Вьющийся

Мужской/

женский

Н

г

1

натуральный (шатен)

вьющийся

женский

2

203,9

2

натуральный (шатен)

прямой

женский

1,5

152,9

3

натуральный (русый)

прямой

женский

1,4

142,7

4

крашеный (блонд)

прямой

женский

1

101,9

Выводы:

Наибольшей силовой механической прочностью и массовой прочностью обладает натуральный человеческий волос 2 Н и 203,9 г соответственно. В ходе экспериментального исследования установлено, что человеческий волос с характеристиками натуральный, вьющийся шатен обладает самой максимальной силовой механической прочностью и массовой прочностью среди образцов серии натуральный. По итогам исследования силовая механическая прочность и массовая прочность крашеного волоса заметно уступает натуральному цвету волос, приблизительно в 2 раза, что подтвердило гипотезу о том, что химическое воздействие на человеческий волос уменьшает его прочность.

Выводы Изучены биологические и химические характеристики человеческого волоса. Составлен рейтинг «ТОП 10» об удивительных фактах человеческого волоса на основе анализа информации ресурсов интернет. Использован исследовательский метод для определения физических характеристик человеческого волоса: толщина, прочность. При определении толщины человечного волоса на основе применения явления дифракции света на тонкой нити и сравнение полученного результата с методов рядов установлено:
    метод рядов для определения толщины человеческого волоса не является точным; метод рядов позволил определить интервал экспериментальных значений толщины человеческого волоса и для дальнейшего сравнения экспериментальных значений толщины человеческого волоса, эталонный интервал ограничиваем следующим интервалом ; определение толщины человеческого волоса с помощью дифракции света до применения укрепляющего шампуня позволил более точно определить экспериментальные интервалы и , относительная погрешность составила 10%; обработка экспериментальных измерений и вычислений в Microsoft Excel позволила расширить интервал экспериментальных значений с учетом разрядности; в сравнении с эталонным результатом метод, основанный на дифракции света, оказался более точным; с учетом данных представленных на сайте8, по толщине волос в диаметре, наш результат относится к группе средних волос.
При исследовании человеческого волоса на механическую прочность установлено:
    наибольшей силовой механической прочностью и массовой прочностью обладает натуральный человеческий волос 2 Н и 203,9 г соответственно; человеческий волос с характеристиками натуральный, вьющийся шатен обладает самой максимальной силовой механической прочностью и массовой прочностью среди образцов серии натуральный; по итогам исследования силовая механическая прочность и массовая прочность крашеного волоса заметно уступает натуральному цвету волос, приблизительно в 2 раза, что подтвердило гипотезу о том, что химическое воздействие на человеческий волос уменьшает его прочность.
Видеофрагменты исследования механической прочности человеческого волоса смонтированы с помощью программы Windows Live Movie Maker и размещены на канале YouTube в открытом доступе.

Список литературы (источников)
Биология. 8 кл. : учеб. для организаций, осуществляющих образовательную деятельность / , , . – М. : Баласс, 2015. – 336 с. : ил. (Образовательная система «Школа 2100»). , Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс: Учебник для углубл. изучения физики. М.: Дрофа, 2005.  462 с.: ил. https://keratin-newhair. ru/kozha-i-volosy/ http://fb. ru/article/314982/iz-chego-sostoit-volos-cheloveka http://www. myshared. ru/slide/1082833/ https://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D1%8B http://dream-body. ru/256-gigiena-i-ukhod-za-volosami http:///interesno/1405-tolshhina-volosa

Приложение

Исследование pH уровня шампуня, жидкого мыла

Уровень pH для жидкого мыла 6,87

Уровень pH для шампуня 6,38

Определение толщины человеческого волоса методами волновой оптики



1 Биология. 8 кл. : учеб. для организаций, осуществляющих образовательную деятельность / , , . – М. : Баласс, 2015. – 336 с. : ил. (Образовательная система «Школа 2100»).

2 https://keratin-newhair. ru/kozha-i-volosy/



3 http://fb. ru/article/314982/iz-chego-sostoit-volos-cheloveka


4 http://www. myshared. ru/slide/1082833/

https://ru. wikipedia. org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D1%8B

http://dream-body. ru/256-gigiena-i-ukhod-za-volosami

5 http:///interesno/1405-tolshhina-volosa


6 https://youtu. be/2CiHK2u-eY8

7 https://youtu. be/HaFf8jzy03Y

8 http:///interesno/1405-tolshhina-volosa